極近距離煤層采空區(qū)下煤層巷道合理支護(hù)方案選擇

劉偉杰

(晉能集團(tuán)忻州有限公司,山西 忻州 034000)

極近距離煤層群由于受上層煤開(kāi)采后的采動(dòng)影響,上層煤開(kāi)采后作用于圍巖和煤柱的支撐壓力會(huì)傳遞到下邊的煤層中,導(dǎo)致下煤層產(chǎn)生應(yīng)力增高區(qū)[1-2]。由于上下煤層之間距離較小,上煤層開(kāi)采引起的圍巖應(yīng)力重新分布會(huì)對(duì)底板產(chǎn)生大的沖擊,導(dǎo)致下煤層巷道頂板結(jié)構(gòu)不易形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu),使巷道圍巖強(qiáng)度降低,下煤層巷道頂板的整體性和穩(wěn)定性發(fā)生破壞,從而增加了巷道支護(hù)的困難,影響巷道圍巖的穩(wěn)定性[3-6]。唐山溝煤礦現(xiàn)主采的12#煤和未采的13#煤屬極近距離煤層群,采用極近距離煤層群下行開(kāi)采方式。目前,12#煤開(kāi)采已進(jìn)入后期階段,礦井很快將全面開(kāi)采13#煤,在開(kāi)采下層13#煤時(shí),會(huì)面臨上覆煤層頂板破碎巷道圍巖支護(hù)困難的技術(shù)問(wèn)題,如果不及時(shí)采取有效的防治技術(shù),很有可能給礦上帶來(lái)嚴(yán)重災(zāi)害。

1 工程地質(zhì)條件

該煤礦煤層賦存條件較好,煤質(zhì)較硬,礦井現(xiàn)主采的12#煤和未采的13#煤最小相距0.37 m,最大9.7 m,平均4.85 m,距離上位已采的11-2#煤層最小0.56 m,最大15.35 m,平均10.43 m,屬極近距離煤層群,采用極近距離煤層群下行開(kāi)采方式。13#

煤膠帶運(yùn)輸大巷位于井田西部未開(kāi)采的13#煤層中,將用于滿足煤礦井田西部采區(qū)的通風(fēng)、運(yùn)煤等生產(chǎn)系統(tǒng)服務(wù),巷道上方為即將開(kāi)采完畢的12#煤層,下方為實(shí)體巖層,井田內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育,在井田中部揭露一條落差5 m～7 m正斷層,走向NW,傾向SW,傾角75°,在井田內(nèi)延伸343 m,斷層對(duì)煤礦生產(chǎn)影響較小[7-8]。13#煤膠帶運(yùn)輸大巷位置圖見(jiàn)圖1。

圖1 13號(hào)煤膠帶運(yùn)輸大巷位置圖Fig.1 Position of the main transport roadway with belt conveyor of No.13 coal seam

2 提出支護(hù)方案

結(jié)合地質(zhì)條件以及巷道所處位置的實(shí)際情況設(shè)計(jì)以下兩種不同支護(hù)方案,方案一是采用錨帶網(wǎng)+錨索支護(hù),方案二是采用錨帶網(wǎng)+注漿錨索+桁架組合支護(hù)。

2.1 方案一

圖2是方案一巷道掘進(jìn)斷面支護(hù)圖。

圖2 方案一巷道掘進(jìn)斷面支護(hù)圖Fig.2 Cross-sectional supporting diagram in roadway tunneling of Plan 1

1)頂板錨桿支護(hù)：從頂板起始100 mm處開(kāi)始依次布置6根錨桿(800 mm×800 mm，允許偏差均為±100 mm)，錨桿長(zhǎng)度為2 200 mm，直徑為20 mm，錨桿托盤(pán)采用長(zhǎng)寬高分別為200 mm×200 mm×10 mm的正方形托盤(pán)，使用直徑為6.5 mm、長(zhǎng)寬為70 mm×70 mm的正方形金屬網(wǎng)配合錨桿聯(lián)合支護(hù)。每根錨桿采用的樹(shù)脂錨固劑為2卷Msck2360型樹(shù)脂藥卷(藥卷的原始累加長(zhǎng)度不少于1.0 m)。頂板左右邊上兩根錨桿在安裝的時(shí)候要傾斜15°左右安裝，錨桿的預(yù)緊力和錨固力分別不能低于50 kN和200 kN。

2)頂板錨索支護(hù)：巷道頂板采用2根預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索支護(hù)，錨索采用雙托盤(pán)支護(hù)，大托盤(pán)的長(zhǎng)寬高分別為400 mm×400 mm×12 mm ，小托盤(pán)的長(zhǎng)寬高分別為200 mm×200 mm×10 mm，鋼絞線直徑為17.8 mm，長(zhǎng)度為5 300 mm，每孔采用4卷Msck2360型樹(shù)脂藥卷錨固，每?jī)膳佩^桿之間打兩根注漿錨索，錨索間排距分別為2 000 mm和800 mm，錨索的預(yù)緊力和錨固力分別不低于100 kN和250 kN。

3)兩幫支護(hù)：幫錨桿為4根直徑20 mm，長(zhǎng)度2 m的高強(qiáng)錨桿配合鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)，錨桿托盤(pán)采用長(zhǎng)寬高分別為200 mm×200 mm×10 mm的正方形托盤(pán)。每根錨桿采用的樹(shù)脂錨固劑為2卷Msck3535型樹(shù)脂藥卷(藥卷原始累加長(zhǎng)度不少于1.0 m)，梯子梁長(zhǎng)度2.6 m，選用16號(hào)圓鋼，錨桿間排距800 mm×800 mm，巷幫上下邊上兩根錨桿在安裝的時(shí)候要傾斜15°左右安裝。

4)頂、幫各網(wǎng)之間互相搭接，搭接長(zhǎng)度不少于100 mm，并用14號(hào)鐵絲綁扎牢固，綁扎間距不大于200 mm。

2.2 方案二

圖3是方案二巷道掘進(jìn)斷面支護(hù)圖。

圖3 方案二巷道掘進(jìn)斷面支護(hù)圖Fig.3 Cross-sectional Supporting diagram in roadway tunneling of plan 2

1)頂板錨桿支護(hù)：從頂板起始100 mm處開(kāi)始依次布置6根錨桿(800 mm×800 mm，允許偏差均為±100 mm)，錨桿長(zhǎng)度為2 400 mm，直徑為20 mm，錨桿托盤(pán)采用長(zhǎng)寬高分別為200 mm×200 mm×10 mm的正方形托盤(pán)，使用直徑為6.5 mm、長(zhǎng)寬為70 mm×70 mm的正方形金屬網(wǎng)和長(zhǎng)度為2.6 m的鋼筋梯子梁配合錨桿聯(lián)合支護(hù)。每根錨桿采用的樹(shù)脂錨固劑為2卷Msck2360型樹(shù)脂藥卷(藥卷的原始累加長(zhǎng)度不少于1.0 m)。頂板左右邊上兩根錨桿在安裝的時(shí)候要傾斜15°左右安裝，錨桿的預(yù)緊力和錨固力分別不能低于50 kN和200 kN。

2)頂板錨索支護(hù)：巷道頂板采用2根預(yù)應(yīng)力鋼絞線注漿錨索配合桁架聯(lián)合支護(hù)，錨索采用雙托盤(pán)支護(hù)，大托盤(pán)的長(zhǎng)寬高分別為400 mm×400 mm×12 mm，小托盤(pán)的長(zhǎng)寬高分別為200 mm×200 mm×10 mm，鋼絞線直徑為17.8 mm，長(zhǎng)度為6 300 mm。每孔采用4卷Msck2360型樹(shù)脂藥卷錨固，每?jī)膳佩^桿之間打兩根注漿錨索，錨索間排距分別為2 000 mm和800 mm，桁架2根錨索規(guī)格D17.8 mm×7 300 mm，分別和頂板成正負(fù)45°左右，每隔一排錨桿打一組桁架系統(tǒng)。錨索的預(yù)緊力和錨固力分別不低于100 kN和250 kN。

3)兩幫支護(hù)：幫錨桿為4根直徑20 mm，長(zhǎng)度2 m的高強(qiáng)錨桿配合鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)，錨桿托盤(pán)采用長(zhǎng)寬高分別為200 mm×200 mm×10 mm的正方形托盤(pán)。每根錨桿采用的樹(shù)脂錨固劑為2卷Msck3535型樹(shù)脂藥卷(藥卷原始累加長(zhǎng)度不少于1.0 m)，梯子梁長(zhǎng)度2.6 m，選用16號(hào)圓鋼，錨桿間排距800 mm×800 mm，巷幫上下邊上兩根錨桿在安裝的時(shí)候要傾斜15°左右安裝。

4)頂、幫各網(wǎng)之間互相搭接，搭接長(zhǎng)度不少于100 mm，并用14號(hào)鐵絲綁扎牢固，綁扎間距不大于200 mm。

5)頂板注漿：先用樹(shù)脂藥卷進(jìn)行端部錨固，施加一定的預(yù)緊力，然后利用中空注漿錨索進(jìn)行注漿，最后進(jìn)行張拉鋼絞線，施加預(yù)緊力達(dá)到要求。注漿壓力、滲透范圍和注漿量應(yīng)根據(jù)注漿實(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)確定。

6)噴漿封閉：噴射混凝土封閉圍巖，噴層厚度100 mm～120 mm。

2.3 支護(hù)方案數(shù)值模擬比較

通過(guò)以上兩方案的數(shù)值分析比較得到以下結(jié)論:

1)方案一的水平應(yīng)力、切向應(yīng)力集中區(qū)域比方案二大,垂直應(yīng)力集中區(qū)域較小,總體比較兩方案的應(yīng)力集中程度相當(dāng),方案二巷道周?chē)鷳?yīng)力較小,約為2 MPa,方案一巷道周?chē)鷳?yīng)力較大,約為4 MPa。

2)方案一巷道頂、底板和兩幫變形顯著,方案二巷道變形量相對(duì)較小。方案一、方案二的巷道變形量如表1所示。

表1 巷道變形量Table 1 Roadway deformation

綜合考慮巷道應(yīng)力分布特征和巷道變形量,最終選擇方案二支護(hù)參數(shù),即采用錨帶網(wǎng)+注漿錨索+桁架組合支護(hù)。方案二支護(hù)設(shè)計(jì)俯視圖見(jiàn)圖4。

圖4 方案二巷道掘進(jìn)支護(hù)斷面俯視圖Fig.4 Cross-sectional diagram of supporting in roadway tunneling

3 礦壓觀測(cè)結(jié)果與分析

通過(guò)在巷道中設(shè)置的多個(gè)礦壓觀測(cè)測(cè)站,對(duì)掘進(jìn)期間的巷道圍巖變形情況進(jìn)行了觀測(cè),觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 巷道表面位移曲線Fig.5 Surface displacement curves of roadways

圖6 巷道表面變形速度曲線Fig.6 Surface deformation speed curve of roadways

由圖5、圖6可知，巷道在掘進(jìn)10 d后，巷道表面變形急劇，頂板最大下沉量達(dá)到了75 mm,兩幫最大移近量達(dá)到112 mm，頂板下沉速度也比較大，其中最大值達(dá)到了13 mm/d，兩幫移近速度最大值達(dá)到了25 mm/d；巷道掘進(jìn)后10 d～35 d，巷道表面位移逐漸緩慢的增加，頂板和兩幫的變形速度也開(kāi)始減緩；巷道掘進(jìn)35 d后，巷道頂板和兩幫變形速度基本穩(wěn)定，但是巷道表面位移仍然還有很小的變形，這是巷道煤體的蠕變特性所導(dǎo)致的，巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后兩幫最大移近量為124 mm，頂板最大下沉量為85 mm。

4 結(jié)論

1)極近距離煤層上、下煤層開(kāi)采過(guò)程中相互擾動(dòng)、相互影響，造成上覆煤層采空區(qū)貫通頂板破碎情況下巷道圍巖支護(hù)困難，嚴(yán)重影響了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2)結(jié)合地質(zhì)條件以及巷道所處位置的實(shí)際情況提出了兩套支護(hù)方案，通過(guò)數(shù)值模擬比較和理論分析確定了最終支護(hù)方案，即采用錨帶網(wǎng)+注漿錨索+桁架組合支護(hù)，最大程度的發(fā)揮主動(dòng)作用。

3)13號(hào)煤膠帶運(yùn)輸大巷采用錨帶網(wǎng)+注漿錨索+桁架組合的支護(hù)技術(shù)，有效抑制了巷道變形，確保了礦井的安全高效生產(chǎn)，以后可在類(lèi)似近距離煤層開(kāi)采采空區(qū)下煤層巷道中推廣應(yīng)用。